表面活性剂溶液中多溴联苯醚的光选择性去除效能与机制研究

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多溴联苯醚(PBDEs)作为一种广泛应用的溴代阻燃剂,常在环境中被大量检出,由于其具有高毒性并能在环境中持久存在,对人体健康和生态安全构成严重威胁。表面活性剂洗脱技术可以快速去除土壤和底泥中的高浓度PBDEs,然而洗脱废液的处理成为制约该技术进一步应用的主要因素。光降解是环境中PBDEs去除的重要途径,可用于处理含PBDEs的洗脱废液。本研究在分析PBDEs污染现状及处理技术的基础上,将光降解技术应用于处理表面活性剂洗脱废液中的PBDEs,探讨了PBDEs的光降解路径和降解动力学,建立了PBDEs在表面活性剂溶液中的反应动力学模型,探究了不同环境条件下光降解去除表面活性剂中PBDEs的作用机理,提出了PBDEs降解速率快、中间产物积累少、淋洗废液回收率高的最优方法,最终实现PBDEs光降解过程的优化调控。本研究取得的主要成果具体如下:(1)通过考察PBDEs在不同的表面活性剂洗脱废液中的光降解,验证了光降解技术可以“选择性”去除表面活性剂中的PBDEs并同时回收表面活性剂。结果表明,在十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和曲拉通-100(TX-100)三种表面活性剂体系中,PBDEs在非离子型的TX-100中表现出更高的降解效率;在曲拉通系列表面活性剂TX-100、TX-165、TX-305和TX-405中,PBDEs在拥有较短亲水链的TX-100中同样显示出更高的降解效率。在不同的表面活性剂中,PBDEs的光降解主要是通过逐级还原脱溴生成低溴代产物,同时可通过醚键断裂重排反应生成羟基联苯类产物,并通过脱氢成环的方式生成多溴二苯并呋喃类产物,其中TX-100体系中二苯并呋喃的累积量最少。由于胶束的“选择性”,表面活性剂中PBDEs的光降解是一个自发的、先还原后氧化的连续矿化体系,能实现PBDEs的完全降解。大肠杆菌培养实验表明光降解后的表面活性剂洗脱液的毒性降低。PBDEs光降解完全后,洗脱废液中表面活性剂的损耗小于15%,可以实现洗脱废液的循环利用。洗脱废液中的表面活性剂主要被光照射产生的活性氧自由基(ROS)氧化降解,表面活性剂降解生成的小分子有机物可促进PBDEs的增溶,提高回用洗脱液的洗脱效果。(2)考察了在土壤中含量丰富并具有高光活性的NO3-和Fe3+对光降解处理表面活性剂溶液中PBDEs的影响。NO3-在光照过程中产生的ROS加速了PBDEs的光降解的同时也增加了TX-100的损耗。光照射NO3-时产生的·OH和·NO2自由基导致PBDEs和TX-100在光处理过程中生成一些羟基和硝基化合物。通过大肠杆菌培养实验探明,在NO3-存在时,光降解生成的硝基和羟基化合物使得光降解洗脱废液的毒性增大,增加了光降解处理过程的生态风险。在自由基、络合效应、电子转移、光敏化、光屏蔽、光竞争以及卤键等因素的综合作用下,Fe3+在低浓度时促进表面活性剂溶液中的PBDEs的降解而在高浓度时抑制其降解。PBDEs在Fe3+存在时主要以还原脱溴的反应为主,并伴随着少许的羟基氧化的反应发生。Fe3+的存在会加速表面活性剂的消耗,表面活性剂在含有Fe3+的溶液中主要被活性氧自由基和Fe3+氧化而发生降解,主要生成亲水链断裂、羟基化、羧基化的产物。表面活性剂溶液中的铁循环过程导致的氧化还原反应是影响PBDEs和表面活性剂降解的主要因素。因此,用光降解处理含PBDEs的洗脱废液时,应考虑废液中共存NO3-和Fe3+的影响。(3)探究了TiO2催化剂在光催化处理表面活性剂溶液中PBDEs的应用。在厌氧条件下,Ag/TiO2可以促进TX-100溶液中BDE-47的光降解。在催化剂表面形成的TX-100单分子层可以促进BDE-47在Ag/TiO2表面的吸附,进而促进BDE-47的光催化降解。Ag~0上富集的电子引起的还原脱溴是BDE-47在TX-100溶液中的光催化降解的主要过程。在光照过程中,催化剂的价带空穴和空穴氧化产生的活性氧自由基可以导致TX-100的损耗。相比于直接光降解,光催化降解产物累积少,降低了处理过程中的生态风险。通过向溶液中添加1%的甲醇,可以在促进BDE-47降解的同时减少TX-100的损耗。
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